赤水河流域近10年徑流特征與變化趨勢(shì)

周 瑋，高漸飛

（1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008; 2.貴州省山地資源研究所，貴州 貴陽 550001）

0 引言

赤水河發(fā)源于云南省鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)，沿川黔邊界流至貴州茅臺(tái)鎮(zhèn)，經(jīng)古藺河流經(jīng)習(xí)水縣至赤水市，再經(jīng)四川省合江縣與習(xí)水河相匯后注入長江，河流全長444.5 km；涉及云南省鎮(zhèn)雄、威信，四川省敘永、古藺、合江，貴州省七星關(guān)、大方、金沙、仁懷、赤水、習(xí)水、桐梓、播州13個(gè)縣（市、區(qū)），流域土地總面積18959.50 km2（入長江口以上計(jì)）。赤水河是國內(nèi)唯一沒有筑壩蓄水的長江支流，是長江上游重要生態(tài)屏障、生物多樣性保護(hù)優(yōu)先區(qū)，著生藻類和底棲無脊椎動(dòng)物等餌料生物豐富，是包括長江上游特有魚類 45 種土著魚類 140 種魚類理想的棲息地和繁殖場(chǎng)所，生態(tài)價(jià)值彌足珍貴[1-3]；更是全世界首屈一指的優(yōu)質(zhì)白酒產(chǎn)區(qū)，沿岸有數(shù)千家酒類企業(yè)，白酒產(chǎn)能占全國白酒產(chǎn)能的83%，成為長江經(jīng)濟(jì)帶以生態(tài)立身的制造業(yè)產(chǎn)業(yè)群，具有極其重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)地位[4,5]。作為享譽(yù)世界的“美酒河”，主要的水源直接依賴于赤水河，但由于白酒工業(yè)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，沿河取水的同時(shí)排放大量的COD、NH3-N等污染物進(jìn)入水體，水環(huán)境問題數(shù)次響起警報(bào)，水環(huán)境治理與保護(hù)工作緊迫而艱巨[5-8]。

赤水河水環(huán)境狀況的好壞不僅直接影響流域生態(tài)功能，還與國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展息息相關(guān)[9]。

此前，對(duì)赤水河水質(zhì)狀況已有所了解[6,10-13]。如季益虎等分析了茅臺(tái)河段2001—2010年水質(zhì)狀況，其能達(dá)標(biāo)，但水質(zhì)整體上呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)，特別是CODMn、BOD5和NH3-N指標(biāo)[10]。安艷玲等2012年對(duì)赤水河流域干流、支流代表性斷面進(jìn)行了1次全覆蓋采樣，發(fā)現(xiàn)整體水質(zhì)良好，但支流污染較嚴(yán)重[6]。王中等對(duì)下游習(xí)水縣境內(nèi)1個(gè)斷面2015—2017年的水質(zhì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)除了TP，其余各指標(biāo)均呈下降趨勢(shì)[11]。上述研究對(duì)赤水河流域水質(zhì)及其變化趨勢(shì)進(jìn)行了較為全面的研究，而對(duì)赤水河水量的認(rèn)識(shí)非常有限，為此，本研究從上游赤水河站、中游茅臺(tái)站、下游鰱魚溪站三個(gè)不同斷面2008—2017年的徑流資料出發(fā)，探討其年徑流量的時(shí)空變化特征，揭示其徑流量變化的主要驅(qū)動(dòng)因素，旨在為流域水環(huán)境保護(hù)與管理規(guī)劃和決策制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 監(jiān)測(cè)斷面

研究以赤水河流域（貴州?。┰O(shè)置的3個(gè)長期水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站為取樣斷面。其中上游斷面—赤水站位于貴州省七星關(guān)區(qū)與四川省敘永縣赤水鎮(zhèn)，涉及鎮(zhèn)雄、敘永、七星關(guān)區(qū)3個(gè)縣（區(qū)），站點(diǎn)以上匯水面積3178.45 km2；中游斷面—茅臺(tái)站位于貴州省仁懷市原茅臺(tái)鎮(zhèn)，涉及鎮(zhèn)雄、敘永、七星關(guān)區(qū)（部分）、古藺、仁懷市（部分）、大方、金沙7個(gè)縣（區(qū)），涵蓋面積8098.35 km2；下游斷面-鰱魚溪站位于貴州省赤水市與四川省瀘州市交界處，含蓋13個(gè)縣（市、區(qū)），卡口（站點(diǎn)）以上面積為16570.50 km2。各斷面位置如圖1。

圖1 赤水河流域水文、水質(zhì)監(jiān)測(cè)站位置

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

徑流量數(shù)據(jù)來源于貴州省水文水資源局2008年1月—2017年12月實(shí)測(cè)逐月平均徑流量資料。監(jiān)測(cè)站年徑流量是一個(gè)年度內(nèi)通過該斷面的水量為年內(nèi)各月徑流量的總和，用以分析流域年際間徑流量的變化特征及趨勢(shì)；流域徑流量年內(nèi)變化則通過多年平均月徑流量，即多年期間逐月徑流量的算術(shù)平均值來進(jìn)行分析。

降水量來源于國家氣象中心流域內(nèi)涉及的13個(gè)縣（市、區(qū)）氣象站數(shù)據(jù)，分別為畢節(jié)（七星關(guān)區(qū)，站編碼57707）、大方（57708）、金沙（57714）、仁懷（57710）、赤水（57609）、習(xí)水（57614）、桐梓（57606）、遵義（播州區(qū)57713）、鎮(zhèn)雄（56595）、威信（56596）、古藺（57605）、敘永（57608）、合江（57603），為1990—2017年逐月降水量數(shù)據(jù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)斷面卡口以上包括的縣（市、區(qū)），取其各氣象站逐月降水量平均值代表該斷面所在區(qū)域降水量。

2 結(jié)果

2.1 徑流量年際變化

2008—2017年，赤水河流域不同斷面年徑流量隨時(shí)間變化過程如圖2所示?？梢钥闯?，赤水河年徑流量總體均呈現(xiàn)出緩慢增加趨勢(shì)，變化幅度表現(xiàn)為上游＜中游＜下游。2008—2011年流域年徑流量波動(dòng)下降，出現(xiàn)一定程度的回升后至2015年再次波動(dòng)下行；并出現(xiàn)某斷面徑流量若比前一年度減少，那么下一年一定會(huì)增加的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出以1年為周期“減少→增加→減少→增加”的年際交替波動(dòng)規(guī)律，即徑流量的年際變化具備明顯的分段與交替變化特征。

圖2 2008—2017年赤水河流域徑流量變化特征與趨勢(shì)

結(jié)合表1中赤水河流域各斷面徑流量特征，上、中、下游多年平均徑流量分別為14.42億m3、30.09億m3、68.76億m3，上游年徑流量在7.94~19.58億m3波動(dòng)，其中2011年徑流量最小，2012年最大；中、下游徑流量分別為16.02~41.49億m3、38.97~99.09億m3，2011年徑流量均最小，最大年徑流量則分別出現(xiàn)在2008年、2014年。分析流域徑流量相對(duì)變幅可發(fā)現(xiàn)，上中下游相對(duì)變幅逐漸加大，下游最大為87.4%。同時(shí)，赤水河流域徑流量變化具有顯著的空間關(guān)聯(lián)性，上游年徑流量與中游、中游與下游高度正相關(guān)性（p＜0.001），上游與下游年徑流量也具有顯著正相關(guān)性（p＜0.01），可見，流域斷面徑流量與其上一過水?dāng)嗝嫠烤哂懈叨纫蕾囆浴?/p>

表1 2008—2017年赤水河流域徑流量特征分析

2.2 徑流量年內(nèi)變化

2008—2017年，赤水河上游、中游、下游多年平均月徑流量數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)表2可知流域徑流量年內(nèi)波動(dòng)非常劇烈，分布不均衡，相對(duì)變幅超過160%。6—8月3個(gè)月徑流量占全年總徑流量的46.1%以上，為豐水期；11月—翌年4月徑流量僅占26.6%~28.1%，為枯水期；5月、9月和10月為平水期，徑流量占全年的24.6%~25.7%。

表2 2008—2017年赤水河流域多年平均月徑流量（億m3）

10年間，赤水河上、中、下游徑流量年內(nèi)總變化趨勢(shì)基本一致：1—5月徑流量逐步增加，6—7月迅速增加至最大，8月快速下降，進(jìn)入9月后下降趨勢(shì)逐漸變緩至最枯月。最小月徑流量均出現(xiàn)在1月份，但下游6月份徑流量最大，較中游和上游（同為7月）早一個(gè)月。結(jié)合相關(guān)性分析，年內(nèi)徑流量上游與中游、中游與下游、上游與下游均表現(xiàn)為顯著正相關(guān) （p＜0.01）。結(jié)果表明：近10年間赤水河流域徑流量在6—8月最大，至9月后逐漸減小至枯水期最小。

2.3 徑流影響因素

2.3.1 降水對(duì)徑流變化的影響

2.3.1.1 降水量、徑流量年際變化相關(guān)性

從圖3可以看出，近10年流域降水量空間差異不大，雨量總體亦呈增加趨勢(shì)，同時(shí)也出現(xiàn)分段變化與年際交替變化特征，波動(dòng)趨勢(shì)大致相同，反應(yīng)出徑流量的變化對(duì)降水量具有極強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系。通過相關(guān)性及線性回歸分析也證實(shí)，上、中、下游徑流量與對(duì)應(yīng)降水量之間均存在顯著的正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)＞0.8，P＜0.01），這表明降水對(duì)徑流量的確具有顯著影響。

圖3 2008—2017年赤水河流域降水、徑流量年際分布趨勢(shì)

而從年降水量與徑流峰值出現(xiàn)時(shí)間對(duì)照情況看：

（1）上、中、下游降水量和徑流量最小值都出現(xiàn)在2011年；

（2）各游段降水量與徑流量最大值出現(xiàn)年份并未對(duì)應(yīng)，上游段面徑流量最大值出現(xiàn)年份（2012年）的降水量卻低于該區(qū)域10年平均；

（3）中游斷面徑流量最大出現(xiàn)時(shí)間（2014年）也與降水量不一致，只有下游斷面年最大徑流量和降水量出現(xiàn)年份同步（2014年），這也一定程度上反映赤水河流域年徑流量變化還受其他因素影響。

2.3.1.2 降水量、徑流量年內(nèi)變化相關(guān)性

赤水河流域10年間多年平均月降水量及多年平均月徑流量分布趨勢(shì)如圖4所示，不同空間區(qū)域降水量在各月的分配（年內(nèi)變化）為典型的單峰型曲線，明顯表現(xiàn)為從6—8月向前后兩端減少的特征，降水年內(nèi)變幅劇烈，各月的分配極不均衡。這可以在任青峰等對(duì)赤水河降水、徑流量年內(nèi)趨勢(shì)的分析得到驗(yàn)證[15]，即5—8月兩者均表現(xiàn)為最大，且時(shí)間分布基本一致。

圖4 2008—2017年赤水河流域降水、徑流量年內(nèi)分布趨勢(shì)

通過降水與徑流年內(nèi)變化形態(tài)對(duì)照：

（1）流域在6—8月降水量超過全年降水量的46.3%；11月—翌年4月合計(jì)降水量僅占20%左右，旱季較長。降水的集中月對(duì)照了徑流的豐水期，旱季與枯水期吻合。

（2）相關(guān)性分析表明，徑流量上游與中游、中游與下游、上游與下游的季節(jié)變化均具有高度正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)＞0.98，降水對(duì)徑流具有極顯著影響（p＜0.001）。但徑流量對(duì)降水變化表現(xiàn)出一定滯后響應(yīng)，最明顯的表現(xiàn)是徑流量的最大與最小兩個(gè)極值出現(xiàn)時(shí)間均在對(duì)應(yīng)降水量極值后一個(gè)月。

（3）下游3—4月降水量增速明顯快于上游和中游，雨季較提早一些，這可能是下游月流量最大時(shí)間（6月）比上游和中游（7月）提前的原因。

（4）上、中、下游斷面均出現(xiàn)8、11月降水量明顯下降（較7、10月減少36%~39%），而對(duì)應(yīng)降水量減少幅度卻很?。ㄝ^7、10月減少2%~9%）的情況，可能是受白酒工業(yè)用水排水的較大影響，這與之前推測(cè)結(jié)果也一致；另外與維持高徑流量需要降水量要達(dá)到某一范圍值或其他原因是否相關(guān)有待進(jìn)一步研究。

綜上研究說明，流域徑流量的變化會(huì)受到降水的影響，且仍是徑流變化最主要的控制因素；此外，人類活動(dòng)以及下墊面變化等也可能是其變化的潛在影響因素[16-18]。

2.3.2 徑流系數(shù)的變化

徑流系數(shù)是指同一流域面積、同一時(shí)段內(nèi)徑流與降水量的比值。與徑流相比，徑流系數(shù)是一個(gè)包含眾多要素的綜合指標(biāo)，其對(duì)降水變化的響應(yīng)更加直接，亦可以反映流域內(nèi)自然地理因素對(duì)流量的影響[19,20]；同時(shí)，徑流系數(shù)也可以反映水資源開發(fā)利用、氣候變化及土地利用變化下的水循環(huán)變化，因此有助于我們發(fā)現(xiàn)徑流變化的原因[21]。

據(jù)圖5可知，2008—2017年，赤水河上游地區(qū)徑流系數(shù)在34.4%~65.2%，中游區(qū)22.7%~42.0%，流域整體徑流系數(shù)介于37.0%~53.4%，基本符合豐水帶和多水帶地區(qū)年徑流系數(shù)的帶性分布規(guī)律[23]。此外，隨著流域空間尺度的增大，年均徑流系數(shù)先減小后增大，這與隨著流域面積增加徑流系數(shù)變小的研究結(jié)論不完全吻合[24]，表明了徑流系數(shù)空間尺度效應(yīng)的復(fù)雜性。

圖5 2008—2017年赤水河流域徑流系數(shù)年際變化

2011年流域各級(jí)尺度上徑流系數(shù)最低，這可能與2011年西南地區(qū)大旱，降水量大幅減少，僅為平均降水量的3/4相關(guān)。另外尤其表現(xiàn)較為異常的是，上游徑流效率值次年劇烈反彈至最高值，而次年上游年降水量945.40 mm，低于平均值（973.56 mm），超滲產(chǎn)流量發(fā)生的可能性很小。為探究這一情況發(fā)生的原因，結(jié)合上游2012年1—12月及上一年末逐月降水量進(jìn)行分析，2011年12月降水量為該月10年平均值的127.9%，10年中第2高值；2012年1月降水量為該月10年平均值169.1%，10年中最大值；得益于上一年年末及年初較大的降水量，年末及年初較高的降水量促進(jìn)了汛期降雨轉(zhuǎn)化為徑流的效率，其中最為明顯的是2012年7月徑流量為平均值的2.3倍，而降水量為1.6倍。

為進(jìn)一步揭示年徑流系數(shù)是否受某些月份降水量主要影響，進(jìn)行上游月降水量與月徑流系數(shù)、年徑流系數(shù)的相關(guān)系數(shù)及顯著分析，見表3。結(jié)果顯示：

表3 赤水（上游）斷面降水量與徑流系數(shù)的Pearson相關(guān)系數(shù)

（1）其中4個(gè)月降水與年徑流系數(shù)相關(guān)系數(shù)＞0.4，其相關(guān)系數(shù)大小依次為7月、9月、1月和2月，除2月流量與年徑流系數(shù)正低度相關(guān)外，其余3個(gè)月份降水量與年徑流系數(shù)呈顯著的正相關(guān)；

（2）1月降水量與8月徑流系數(shù)存在顯著正相關(guān)性，2月降水量與7月、8月徑流有低度相關(guān)性，除5—7月降水量與當(dāng)月徑流系數(shù)成正相關(guān)外，其余月份均呈負(fù)相關(guān)性，但與后次月或再后一個(gè)月的徑流系數(shù)又呈現(xiàn)正相關(guān)；

（3）5—7月的降水量和降水強(qiáng)度較大，地表水匯流時(shí)間縮短，減少了匯流過程中的下滲量，從而使得地表徑流增多，徑流系數(shù)增大；

（4）降水量同樣較大的8月和9月，降水量與當(dāng)月徑流系數(shù)呈微弱負(fù)相關(guān)，一方面可能與降水強(qiáng)度減弱有關(guān)；另一方初步推測(cè)在前段洪峰徑流驅(qū)動(dòng)下，一部分原本集蓄于地表的水被強(qiáng)大的水流帶走，8月的降水首先要補(bǔ)充這部分損耗，從而導(dǎo)致徑流量少；進(jìn)入9月隨著地表植被的恢復(fù)，蓄水能力也逐步提升，消耗的水量相對(duì)增加，導(dǎo)致徑流系數(shù)較小。

同時(shí)結(jié)合圖6中流域年內(nèi)徑流系數(shù)變化的分析，可知徑流系數(shù)的降低同時(shí)與流域人類活動(dòng)的影響有關(guān)：

圖6 2008—2017年赤水河流域年內(nèi)徑流系數(shù)

（1）流域下墊面土地利用與覆被的變化導(dǎo)致徑流系數(shù)變化；

（2）白酒工業(yè)用水高峰期在8—10月[25]，導(dǎo)致這個(gè)時(shí)段中游和下游斷面徑流系數(shù)下降。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)年鑒，仁懷市2008—2017年白酒產(chǎn)量從13.28萬t增加到30.46萬t，根據(jù)赤水河白酒工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每年從赤水河取水531.2~1218.4萬t。與此同時(shí)相關(guān)性分析表明，仁懷市白酒產(chǎn)量與中游年徑流系數(shù)呈微弱負(fù)相關(guān)性，取水對(duì)年徑流減少影響較小，這可能得益于赤水河流域較大的徑流量。

3 分析討論

根據(jù)上文中對(duì)赤水河流域徑流時(shí)空變化特征以及與降水量等影響因素分析可知，流域各尺度徑流量年際、年內(nèi)季節(jié)變化都比較劇烈，隨著空間尺度增大，其變化幅度也相應(yīng)變大，可見流域斷面徑流量與其上一過水?dāng)嗝嫠烤哂懈叨认嚓P(guān)性。另外，過水?dāng)嗝骐m主要受降水影響，但徑流量相較于降水量而言，在同一時(shí)段下的變化出現(xiàn)一定程度上的滯后性，徑流系數(shù)的變化規(guī)律也充分體現(xiàn)這一點(diǎn)，由此說明除降水外，人類活動(dòng)及下墊面變化等也可能是徑流量變化的影響因素。赤水河流域白酒產(chǎn)能的提高，城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn)，取水、排水都大大影響著流域徑流量。此外，除經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工農(nóng)業(yè)用水等，氣溫也會(huì)通過改變冰雪徑流的補(bǔ)給量從而影響徑流量，同時(shí)地表植被變化（如修復(fù)）對(duì)流域水量也會(huì)產(chǎn)生重要影響，地表植被的恢復(fù)會(huì)相應(yīng)提升蓄水能力，斷面消耗水量增大，導(dǎo)致徑流系數(shù)變小。通過對(duì)影響河流徑流量的因素進(jìn)行研究，有效推動(dòng)水利建設(shè)的同時(shí)，對(duì)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有一定的促進(jìn)作用。

4 結(jié)論

（1）2008—2017年，赤水河上游赤水站、中游茅臺(tái)、下游鰱魚溪斷面年徑流量總體呈增加趨勢(shì)，年際變化劇烈，且具有顯著的空間關(guān)聯(lián)性，隨著空間尺度增大波動(dòng)愈強(qiáng)烈；徑流量年內(nèi)變化分布不太均衡，5—8月徑流量占全年近一半以上。

（2）結(jié)合相關(guān)性分析可知，赤水河流域徑流量與降水量的年際及年內(nèi)總體變化趨勢(shì)基本一致，反應(yīng)出徑流量的變化對(duì)降水量具有極強(qiáng)的響應(yīng)關(guān)系；同時(shí)由于兩者變化幅度存在差異，徑流量相較降水量而言出現(xiàn)滯后，可知降水、人類活動(dòng)、下墊面的改變等對(duì)流域徑流量變化有著顯著影響。

（3）徑流系數(shù)年際變化隨著流域尺度的增大，呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；年內(nèi)徑流系數(shù)主要受7月、9月、1月和2月降水量影響，此外，白酒生產(chǎn)取水也對(duì)年內(nèi)徑流系數(shù)產(chǎn)生較大影響，說明徑流系數(shù)與降水量呈顯著正相關(guān)的同時(shí)，也與流域人類活動(dòng)緊密相連。